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东北大学硕士学位论文 摘要 实时数字化超声波钢轨探伤仪研究 摘要 超声波探伤技术是无损检测诊断中应用最为广泛的方法之。随着微电子技术的发 展和计算机的普遍应用，超声波检测诊断仪器和检测方法得到了迅速发展，使超声波检 洲的应用更为普及。而传统的模拟式超声波检测诊断仪器就不能满足工业生产提出的自 动探伤的要求，因此，数字式超声波探伤仪器的开发应用以及对模拟式探伤仪的改造就 成为工业生产自动化的必要过程。 本课题根据实际项目需要对鞍山钢铁集团公司现有的模拟超声波钢轨探伤仪进行 数字化改造。通过对超声波探伤技术理论的研究和系统的研究后，提出了以模拟超声波 探伤仪为基础，利用数据采集卡进行模拟数据采集和转换，用工业控制计算机来进行后 续处理的数字化改造方案；并且通过研究和计算，确定了数据采集卡的基本参数和传输 方式，最终建立了一种用模拟超声波探伤仪发射和接收超声波，利用研华p c i 一1 7 1 4 高 速模拟输入卡进行数据采集和数据转换，通过总线主控d m a 方式用p c i 总线传输到工 业控制计算机进行波形显示、存储打印并实现自动判伤的超声波自动探伤系统。 在深入的和系统的研究了研华p c i 一1 7 1 4 数据采集卡的主要特性和工作原理，以及 它的3 2 位d l l 驱动程序和l a b v i e w 驱动程序的基础上，确定了以l a b v i e w 作为软件 编程工具，同时在鞍山钢铁集团公司提供的模拟探伤仪和p c i 1 7 1 4 数据采集卡等硬件 的基础上，自行建立了比较完善的实验系统，进行了长期的实验研究，对超声波探伤系 统有了比较清楚的认识，也为软件编程打下了基础；并在w i n d o w sx p 操作系统平台下， 利用数据采集卡自带软件以及l a b v i e w 软件进行硬件调试和软件编程，完成了超声波 探伤系统的软件功能模块设计和相关编程工作。 另外，在实验和研究的基础上进行了总结，同时也为系统的进一步完善和发展提出 了自己的一些建议。 关键词：超声波探伤仪；p c i 一1 7 1 4 ；超声波探伤系统：自动探伤；l a b v i e w ；数据采集 i i t h er e s e a r c ho fr e a l t i m ed i g i t a lu l t r a s o n i cf l a wd e t e c t o rf o rr a i l a bs t r a c t u l t r a s o n i cf l a wd e t e c t i o ni so n eo ft h em o s tc o m m o n l yu s e dn d t s ( n o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g ) t h eu s eo fu l t r a s o n i cf l a wd e t e c t i n gi n s t r u m e n t sa n dt e s t i n gh a sb e e nr a p i d l y d e v e l o p e db e c a u s eo ft h ed e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dc o m p u t e r w h a t s m o r e ，t r a d i t i o n a la n a l o gi n s t r u m e n t sc a l ln o tm a t c ht h ea u t od e t e c t i n gd e m a n do fi n d u s t r y t h e r e f o r e ，i ti sg o i n gt ob eat r e n dt od e v e l o pa n da p p l yd i g i t a lu l t r a s o n i cf l a wd e t e c t i n g i n s t r u m e n t sa sw e l la st r a n s f o r m i n ga n a l o gd e t e c t o r si n t od i g i t a lo n e s t od i g i t a l i z ea n a l o gu l t r a s o n i cf l a wd e t e c t o r so fa ns t e e li st h eu l t i m a t ep u r p o s e a f t e r s o m ew e e k s s t u d ya n dr e s e a r c ho nu l t r a s o n i cf l a wd e t e c t i o n ，a nd i 【g i t a l i z a t i o ns c h e m ew h i c h i sb a s e do na n a l o gu l t r a s o n i cf l a wd e t e c t o r sw a sa d v a n c e d ，u s e sa dc a r dt oa c q u i r ea n d c o n v e r s ea n a l o gd a t a ，t h e nu s ei p ct od os o m ep r o c e s s i n g l a t e rc h o o s ea d v a n t e c h s p c i - 1 7 1 4a n a l o gi n p u tc a r da f t e rb a s i cp a r a m e t e r so na dc a r da n dc o n v e r s i o nm e t h o dw a s c o n f i r m e db a s e do nr e s e a r c h i n ga n dc a l c u l a t i n g ，a n ds oa st os e tu pa l la u t ou l t r a s o n i cf l a w d e t e c t i n gs y s t e mw h i c hu s e su l t r a s o n i cf l a wd e t e c t o r st og e n e r a t ea n dr e c e i v eu l t r a s o n i c w a v e s ，a n du s e sp c i 一1 7 1 4a dc a r dt oa c q u i r ea n dc o n v e r s ea n a l o gd a t af r o ma n a l o g u l t r a s o n i cf l a wd e t e c t o r s ，t h e nt r a n s f e r st h e mi nb u sm a s t e rd m aw i t hp c ib u st oi p c ， s h o w sw a v e sa n dd a t ao nt h es c r e e n ，d o e sa u t od e t e c t i n ga n ds t o r e sa n dp r i n t st h o s ef l a w s a f t e rap r o f o u n dl o n g t i m e s y s t e m a t i cs t u d yo n p c i - 1 7 1 4a n a l o gi n p u tc a r d s c h a r a c t e r i s t i c sa n dp r i n c i p l e sa sw e l la si t s3 2b i td l ld r i v e r sm a n u a la n dl a b v i e w d r i v e r sm a n u a l ，l a b v i e ww a sc h o s e na st h ep r o g r a mt o o l ；m e a n w h i l ear i g h te x p e r i m e n t a l s y s t e mb u i l tu p o na n a l o gu l t r a s o n i cf l a wd e t e c t o ra n dp c i 一1 7 1 4w a ss e tu p ，w h i c hs u p p o r t e d b ya ns t e e la n dd i dm a n ye x p e r i m e n t si np a s tm o n t h s ，a n dg o tac l e a rv i e wa b o u td i g i t a la u t o d e t e c t i n gs y s t e m ；t h e r e f o r e ，m a d ei te a s i e rt od e v e l o ps o f t w a r ea n dp r o g r a m ，a n dt h e nu n d e r w i n d o w sx p , h a r d w a r ed e b u gw i t hs o f t w a r ef r o ma d v a n t e c ha n dp r o g r m ni nl a b v i e wp r o 8 ow a sd o n e ；a n ds u c c e s s f u l l yf i n i s h e ds o f t w a r ed e s i g na n ds o m ep r o g r a mw o r k so i l u l t r a s o n i ca u t od e t e c t i n gs y s t e m i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t b e s i d e s ，s u m m a r i z e du p o ns t u d ya n dr e s e a r c h ，s oa st ol e a v ear e f e r e n c ef o rf u t u r e s s t u d ya n dr e s e a r c h ；a tt h es a l d _ et i m e ，g a v eu pm ya d v i c e so nd e v e l o p m e n ta n do p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：u l t r a s o n i cf l a wd e t e c t o r ：p c i 一1 7 1 4 ；u l t r a s o n i cf l a wd e t e c t i n gs y s t e m ；a u t o d e t e c t i n gl a b v l e w ；d a t aa c q u i s i t i o n i v 查j ! 奎堂堡主堂堡丝奎 塞= 耋丝篁 第一章绪论 1 1 课题来源和研究背景 本课题是基于东北大学与鞍山钢铁集团公司( 鞍钢) 合作的“模拟超声波钢轨探伤 仪的数字化改造”项目的。本课题的主要任务是改造鞍钢现有的模拟超声波探伤仪 c u t - 5 1 8 型超声波探伤仪，使其能进行探伤系统的高速实时数据采集和传输、回波数字 波形显示、波形存储和分析，并能完成自动判伤，成为数字化的钢轨超声波探伤仪。 针对这一项目要求，进行了理论研究、现场调研、计算、系统设计和软件编程调试 等工作。在对模拟式超声波探伤仪进行研究、调研、实验，及对数字式的钢轨超声波探 伤仪的进行了深入细致的研究之后，提出了以现有的模拟超声波探伤仪为基础，负责超 声波信号的发送和接收并进行适当处理；用台湾研华公司的p c i 一1 7 1 4 高速模拟输入数 据采集卡进行回波和伤波数据的采集；利用总线主控d m a 传输方式通过p c i 数据总线 进入工业控制计算机( i p c ) 下使用l a b v i e w 软件完成回波显示、记录、存储和分析， 从而完成数字化改造模拟探伤仪的要求。项目主要分为四个部分：系统硬件结构设计( 包 括数据采集卡的选型、参数计算等) 、硬件安装和调试、软件编程、现场调试。 本人主要负责系统搭建、系统硬件结构设计、设备选型、硬件安装和调试、以及软 件编程等工作。 本课题的特点是理论与实际紧密联系，实践是检验理论正确与否的唯一标准。在完 成本课题的过程中，翻阅了大量的中英文资料和文献，进行了系统的、有目的的研究。 在锻炼了自己的实践动手能力的同时，也对数字化技术从理论水平上有了很大的提高， 初步具备了数字化改造和开发机电设备的能力，也为以后的研究和工作打下了扎实的基 础。 1 2 超声波探伤仪的发展历程和发展趋势 1 2 1 钢轨超声波探伤仪的发展历程 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 我国使用仪器对铁路钢轨进行探伤始于上世纪5 0 年代，1 9 5 4 年1 0 月铁道部首 先从瑞士m a t i s a 公司引进了以声响指示的共振式探伤仪，随后国内有关科研院所开 始进行超声探伤仪的研制和探伤方法探索。1 9 5 7 年北京b c l 3 和武汉g t s 一1 手杖式 钢轨探伤仪问世。1 9 6 9 年上海无线电2 2 厂技术人员研制成国内首台a 型显示脉冲反射 式钢轨探伤仪j g t - 1 型，j g t - 1 型只有一个探测通道，三只探头。该厂1 9 7 2 年又生产了 具有二个通道四个探头反射、穿透兼用的j g t - 2 型。1 9 8 0 年初铁道部工务局在上海召 开j g t - 3 型方案论证会，经过三年的努力，j g t - 3 型钢轨超声波探伤仪通过鉴定。该 仪器具有四个通道，五个探头同时工作和多种组合形式的功能。我国现有的各种手推式 钢轨探伤仪都是在j g t - 3 型探伤仪的基础上发展起来的，1 9 8 9 年之后，g t _ 1 ( 汕头) 、 j g t - 5 ( 上海) 、c g t - 6 ( 邢台) 等型号的探伤仪相继投入市场，形成多家生产，相互竞 争的格局”j 。 随着计算机技术、数字信号处理技术和人工智能等高新技术的飞速发展，钢轨探伤 也在向高速度、自动化、智能化的方向发展。 1 2 2 钢轨超声波探伤技术的发展趋势 ( 1 ) 常规钢轨探伤仪向数字化方向发展 钢轨探伤仪按所处理的信号不同一般可分为模拟式、模拟数字混合式以及全数字式 三种类型。模拟探伤仪由同步电路、发射电路、锯齿波电路、视频放大电路和c r t 显 示器等部分构成。同步电路给出等时间间隔的固定脉冲，使仪器各部分同步工作：齿波 电路驱动示波管的水平偏转板形成时基线；视频放大电路则放大超声信号，加到示波管 的垂直偏转板；两者共同作用将超声信号波形显示在示波管荧光屏上。模拟式探伤仪具 有技术成熟、价格低、结构简单、便于维修等优点，但由于模拟式探伤仪不具备对检测 信号记录和信息处理的功能，现场检测时需要依赖操作人员对显示屏上的超声波回波信 号进行判断和手工记录，所以检测结果受人为因素影响很大。另外，调整仪器参数，判 断仪器故障等都要依赖于操作人员的经验水平，故使用模拟式钢轨探伤仪探伤，易造成 伤损的误报、漏报，探伤质量难以进一步提高。为克服模拟探伤仪的缺点，数字技术已 部分应用于超声波探伤设备中。近几年，市场上推出了一批带有微处理器的钢轨超声波 探伤仪，如：邢台先锋超声仪器研究所生产的g c t - 2 型钢轨超声波探伤仪，上海超声 波仪器厂生产的b j g t - 6 型钢轨超声波探伤仪。这类探伤仪由于在原有探伤仪基础上使 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 用了微处理器技术，大大提高了仪器的性能，具有一定程度的数据采集、存储和处理能 力以及仪器故障自诊断和推行速度控制等能力。但由于仪器的控制和显示部分仍是传统 方式，另外受微处理器芯片性能限制，还无法实现对数据的实时处理，自动判伤，波形 纪录等复杂功能。所以，此类探伤仪是一种模数混合式探伤仪，还不是严格意义上的数 字探伤仪，可称之为“半数字式”【2 1 。 ( 2 ) 全数字式钢轨探伤仪的技术进展与应用 所谓全数字式钢轨探伤仪应具有如下主要特征： 传统探伤仪的同步电路，水平扫描电路，检波器和视频放大电路等部分由高性 能微处理器或数字信号处理器( d s p ) 取代，微处理器或数字信号处理器成为 系统的核心。 传统的c r t 显示器由点阵式的l c d 或e l ( 场致发光显示器件) 所代替。 放大后的超声波信号经高速a d 转换器转换成数字形式由微处理器或d s p 处理后再由显示器显示。 具有探伤数据的采集、存储和运算功能，能实现探伤过程中缺陷自动判定和读 出，缺陷位置和当量值的显示以及探伤结果存储、回放和打印输出等后续处理。 遥测、遥控和联网等通讯功能。 我国通用数字化超声波探伤仪的研究始于上世纪8 0 年代末，1 9 8 9 年武汉中科创新 技术公司在市场推出k s l 0 1 0 型便携数字式超声波探伤仪，结束了常轨超声波探伤仪一 统国内市场的局面，大大推进了超声波探伤设备数字化的进程。钢轨探伤仪属于专用探 伤仪，其原理与通用探伤仪基本相同，只不过钢轨探伤仪的使用环境要求更苛刻，要求 产品的稳定性、抗干扰性更强，功能上也要符合铁路部门探伤的特殊要求【3 o 目前，全数字式的钢轨超声波探伤仪在钢轨探伤领域应用还很少，仅在一些文献中 有报道1 4 】。数字式钢轨探伤仪要想得到市场的认可必须着力解决好如下一些问题： ( a ) 逐渐缩小与模拟探伤仪的价格差。 ( b ) 能在恶劣的环境( 强磁场、电场、高温、严寒等) 下可靠使用。 ( c ) 探伤仪的操作方式、探伤软件的使用应该尽量符合铁路探伤人员的习惯，得到 他们的认可。 ( d ) 对缺陷定量精度高，定性( 判断缺陷类型) 准确。 3 查! ! 查兰堡圭耋堡丝苎 ：一叁= 量。兰兰j 一 1 2 , 3 国内外研究现状及意义 目前国内外在超声波探伤领域都向着数字化方向发展，数字式超声波探伤仪器的发 展速度很快。国内近儿年也相继出现了许多数字式超声波仪器和分析系统u 国际上对超声波探伤数字化技术的研究非常重视，国外生产类似产品和研究的公司 有美国的泛美( p a n a m e t r i c s ) 公司、m e t e c 公司，加拿大的r dt e c h 公司，德 田的k k 公司、法国的s o f r a t e s t 公司和西班牙的t e c n a t o m 公司等等，上述这些 公司生产的超声波探伤采集、分析和成像处理系统的技术水平较高，在世界上处于领先 水平。 国外已把1 0 0 m h z 以上采样频率的高速a i d 技术用j 一超声波信号的采集，大容量 缓冲技术也达到一定的水平，信号的分析和成像处理已实现a 、b 、c 扫描。虽然国内 已开展这方面的研究与丌发，但是在技术应用上还是存在一定的差距。 因此，开展该项技术的研究，如何把高速a d 技术、大容量缓冲技术以及信号的处 理、分析和成像技术进行开发和研究并应用到超声波探伤的工程需要上去，是一项具 有现实意义的课题，它可提高我国无损检测技术水平，跟上世界先进的现代工业检测技 术步伐，使我国超声波探伤水平上一个台阶。 1 3 论文的主要工作 鞍山钢铁集团公司的“模拟超声波钢轨探伤仪的数宁化改造”项目，是在保留模拟 超声波钢轨探伤仪的发射和接收以及调节等功能的基础上，用数据聚集卡和计算机等来 进行必要的数字化改造工作。因为超声波的频率比较高，一般都在4 - 5 m 3 q z 左右，因此 对于回波缺陷信号的采集、传输、存储、显示和自动判伤，都有很高的难度，特别是利 用p c i 总线数据采集卡直接采集数据传输进入工业控制计算机进行波形显示、存储和自 动判伤等，可以带来巨大的经济效益。 本论文的主要目的是针对于模拟超声波钢轨探伤仪的数字化改造进行研究。因此本 论文进行了如下的主要工作： ( 】) 提出了超声波探伤仪的数字化改造方案 要想成功的改造出合格的数字化超声波探伤仪，必须熟练掌握超声波探伤原理，分 析超声波探伤仪的组成结构蚍及它们在参数调节、回波显示、自动判伤上的特点：同时， 析超声波探伤仪的组成结构以及它们在参数调节、回波显示、自动判伤上的特点：同时， 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 3 国内外研究现状及意义 目前国内外在超声波探伤领域都向着数字化方向发展，数字式超声波探伤仪器的发 展速度很快。国内近几年也相继出现了许多数字式超声波仪器和分析系统。 国际上对超声波探伤数字化技术的研究非常重视，国外生产类似产品和研究的公司 有美国的泛美( p a n a m e t r i c s ) 公司、m e t e c 公司，加拿大的r dt e c h 公司，德 国的k k 公司、法国的s o f r a t e s t 公司和西班牙的t e c n a t o m 公司等等，上述这些 公司生产的超声波探伤采集、分析和成像处理系统的技术水平较高，在世界上处于领先 水平。 国外已把1 0 0 m h z 以上采样频率的高速a d 技术用于超声波信号的采集，大容量 缓冲技术也达到一定的水平，信号的分析和成像处理已实现a 、b 、c 扫描。虽然国内 已开展这方面的研究与开发，但是在技术应用上还是存在一定的差距。 因此，开展该项技术的研究，如何把高速a d 技术、大容量缓冲技术以及信号的处 理、分析和成像技术进行开发和研究，并应用到超声波探伤的工程需要上去，是一项具 有现实意义的课题，它可提高我国无损检测技术水平，跟上世界先进的现代工业检测技 术步伐，使我国超声波探伤水平上一个台阶。 1 3 论文的主要工作 鞍山钢铁集团公司的“模拟超声波钢轨探伤仪的数字化改造”项目，是在保留模拟 超声波钢轨探伤仪的发射和接收以及调节等功能的基础上，用数据采集卡和计算机等来 进行必要的数字化改造工作。因为超声波的频率比较高，一般都在4 - 5 m h z 左右，因此 对于回波缺陷信号的采集、传输、存储、显示和自动判伤，都有很高的难度，特别是利 用p c i 总线数据采集卡直接采集数据传输n 1 2 , 2 1 2 业控制计算机进行波形显示、存储和自 动判伤等，可以带来巨大的经济效益。 本论文的主要目的是针对于模拟超声波钢轨探伤仪的数字化改造进行研究。因此本 论文进行了如下的主要工作： ( 1 ) 提出了超声波探伤仪的数字化改造方案 要想成功的改造出合格的数字化超声波探伤仪，必须熟练掌握超声波探伤原理，分 析超声波探伤仪的组成结构以及它们在参数调节、回波显示、自动判伤上的特点：同时， 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 要努力研究出独创并有实际意义的数字化改造方案。经过系统的研究，提出了以模拟超 声波探伤仪为基础，利用数据采集卡进行数据采集，并用工业控制计算机来进行波形显 示、数据存储以及自动判伤的数字化改造方案。 ( 2 ) 系统硬件结构设计的研究 在提出数字化改造方案后，就需要选择合适的硬件，操作系统等来构建完整的超声 波自动探伤系统。经过研究和计算，选择了研华的p c i 一1 7 1 4 高速模拟输入数据采集卡， 确定了数据采集卡的基本参数，选取了p c i 总线和总线主控d m a 传输方式，完成了系 统硬件结构设计的要求。 ( 3 ) 软件编程 ， 本论文简单的介绍了美国国家仪器公司的l a b v i e w 软件。由于该软件的图形化编 程特性，可以很方便地建立自动化系统并实现系统所需的软件功能。因此，本课题的软 件编程主要在l a b v i e w 环境中实现，完成了超声波回波信号的高速数据采集和传输、 回波数字波形显示等功能模块的软件编程工作。 ( 4 ) 研究总结和建议 在实验和研究的基础上进行了总结，为今后的研究和发展留下了很好的参考价值： 同时，为系统的进一步完善和发展提出了自己的一些建议。 5 东北大学硕士学位论文 第二章超声波探伤技术 第二章超声波探伤技术 超声波探伤诊断技术是无损检测诊断技术之中应用最为广泛的方法之一，也可叫做 超声无损检测。目前，超声技术用于现场检测诊断主要是检测设备构件内部及表面缺陷， 或用于压力容器或管道壁厚的测量等。超声波探伤属于超声无损检测的范畴。 2 1 超声波探伤原理 超声波探伤是将超声波从探头送入被测材料。当材料内部有缺陷时，输入超声波的 一部分就会在缺陷处发生反射，根据接收的反射波，就可以知道缺陷的位置和大小。超 声波探伤时，把探头放在试件表面，探头或探伤部位应涂水、油或甘油等，以使两者紧 密接触。然后，通过探头向试件发射纵波( 垂直探伤) 或横波( 斜向探伤) ，并接收从 缺陷处传回的反射波，由此对其缺陷进行判断。 超声波是超声波振动在介质中的传播。其实质是以波动形式在弹性介质中传播的机 械振动。超声波探伤诊断技术是利用材料本身或内部缺陷对超声波传播的影响，来判断 结构内部及表面缺陷的大小、形状和分布情况。通常人们把频率在2 0 x1 0 32 0 1 0 6 h z 范围内的声波称为超声波。钢轨用超声波一般在4 5 m h z ，属于高频超声波。 超声波用于无损检测诊断，主要是因为： ( 1 ) 超声波在介质中传播时，遇到界面会发生反射； ( 2 ) 超声波具有良好的指向性，频率愈高，指向性愈好； ( 3 ) 超声波传播能量大，对各种材料的穿透力较强。 近年来的研究表明，超声波的声速、衰减、阻抗和散射等特性应用提供了丰富的信 息，并且成为超声波广泛应用的条件。 2 1 1 超声波的发射和接收 凡能将任何形式能量转换成超音频振动形式能量的器件均可以用来发射超声波，当 其具有可逆效应时又可以用来接收超声波，这类元件日q 做超声波换能器。以换能器为主 要元件组装成具有一定特性的超声波发射，接收器件常称为探头。 6 东北大学硕士学位论文 第二章超声波探伤技术 产生超声波的方法有很多，如热学法、力学法、静电法、电磁法、电动法、激光法、 压电法等。目前，在超声波探伤中应用最普遍就是压电法( 本课题采用的超声波探头也 是采用的压电法) 。压电法是利用压电材料施加交变电压，它将发生交替的压缩或拉伸， 由此而产生振动。振动的频率与交变电压的频率相同。若施加在压电晶体上的交变电压 的频率在超声波频率范围内，则所产生的振动就是超声频振动。如果把这种振动耦台到 弹性介质中去，那么在弹性介质中传播的波就是超声波。从超声波的产生和接收可以看 出，超声波发射是把电能转变为超声能的过程，它是利用压电材料的逆压电效应，超声 波的接收是把超声能转变为电能的过程，它是利用压电材料的压电效应。由于压电材料 同时具有压电效应和逆压电效应特性，因此，超声波探伤中所用的单个探头，一万面用 于发射超声波，另一方面可用于接收从界面、缺陷返回的超声波。为了特殊的需要，可 将发射与接收超声波的压电材料组合为一体，构成所谓的组合探头。如果有双探头检测 系统，也可用一个探头发射超声波，而用另一个探头接收超声波。 2 1 2 超声波探伤方法 根据超声波的波形、发射和接收的方式，超声波探伤的方法很多。下面介绍目前最 常用的几种方法。 ( 1 ) 穿透法 穿透法又叫透射法，它是根据超声波穿透试件后的能量变化来判断试件内部有无缺 陷。使用时将两个探头分别置于试件相对的两个侧面，一个探头用于发射超声波，另一 个探头用于接收透射到另一个侧面的超声波，并根据所接收超声波的强弱来判断试件内 部是否有缺陷。若试件内无缺陷，超声波穿透试件后衰减较小，接收到的超声波较强； 若超声波传播的路径中存在缺陷时，超声波在缺陷处就会发生反射或折射，并部分或完 全阻止超声波到达接收探头。这样，根据接收到超声波能量的大小就可以判断缺陷位置 及大小。 穿透法的优点是适于探测较薄试件的缺陷和衰减系数较大的匀质材料试件，设备简 单、操作容易，检测速度快；对形状简单、批量较大的试件容易实现连续自动检测。穿 透法的缺点是不能探测缺陷的深度；探伤灵敏度较低；对发射探头和接收探头的位置要 求较高。 ( 2 ) 脉冲反射法 7 东北大学硕士学位论文 第二章超声波探伤技术 。 脉冲反射法是目前应用最广泛的一种超声波探伤法。它的探伤原理是将具有一定持 续时间和一定频率间隔的超声脉冲波发射到被测试件，当超声波在试件内部遇到缺陷 时，就会产生反射，根据反射信号的时差变化及在显示器上的位置就可以判断缺陷的大 小及深度。根据入射脉冲的波形不同，脉冲反射法可以分为纵波、横波、表面波及板波 探伤4 种。 该方法的突出优点是通过改变入射角的方法，可以发现不同方位的缺陷；利用表面 波可以检测复杂形状的表面缺陷；利用板波可以对薄板缺陷进行探伤。 ( 3 ) 直接接触法 直接接触法是利用探头与试件表面直接接触而对缺陷进行检测的种方法。它是通 过在探头与试件表面之间的一层很薄的耦合剂来实现。如果探头与试件表面之间有空气 层，则空气层会使声能几乎完全被反射。为了获得良好的声褐合，试件探测表面的粗糙 度应小于6 _ 3um 。这是因为6 3l - tm 时表面不平度约为0 0 8 4 m m ，对探伤灵敏度影响不 大。此外，试件表面曲率对探伤灵敏度也有影响，表面曲率大时，因接触面积减小会使 灵敏度下降，因此，对大曲率试件检测时，应采用小直径探头。经常使用的耦合剂是油 类。般情况采用中等粘度的机油，平滑表面可以用低粘度油类，粗糙表面可用高粘度 油类。由于甘油的声阻抗最高且易溶于水，所以也是一种常采用的耦合剂。 ( 4 ) 液浸法 直接接触法虽具有灵活、方便、耦合层薄、声能损失少等优点，但由于耦合层厚度 难以控制、探头磨损大、测速慢等缺点，所以也可以采用液浸法。液浸法是在探头与试 件表面之划充以液体，或将探头与试件全部浸入液体进行探伤的方法。液体一般用水。 它是把探头发射的超声波经过液体耦合层后，再入射到试件中去。因为探头与试件不直 接接触，所以超声波的发射和接收都比较稳定。液浸法探测时，发射的超声波在液体与 试件界面产生晃面波，犀时大部分声能传入试件。若试件中存在缺陷，则在缺陷处产生 反射，而另一部分则传入底面产生反射，其波形如图2 1 所示。 图中，s 为发射波，t 为界面波，f 为缺陷被，b 为底波。波形s 到t 、t 到f 及t 到b 之间的距离，各相当于超声波在液体中、试件表面至缺陷处及在试件中往返一次所 需的时间。如果探头与试件之间的液体厚度改变时，则信号s 到t 的距离也随之改变， 但t 到b 、t 到f 、f 到b 的距离不变。液浸法探伤时的灵敏度比直接接触法提高约1 0 d b 。 在使用中，浸液应保持清洁，不应有冷热对流。 8 查! ! 查堂堡主堂垡丝塞童三兰墼窒堡堡丝丝查 仙 图2 1 液浸法探伤波形 f i g 21 f l a ww a v e f o r mi ni m m e r s i o nm e t h o d 2 1 3 超声波探伤的图形显示 超声波探伤的图形显示是指超声入射到试件中，在接收反射波束或穿透波束时能用 图形来显示缺陷的位置、宽度、分布等情况。图形显示方式有a 型显示、b 型显示和c 型显示三种。 ( 1 ) a 型显示。 a 型显示可以在c r t ( 显示器) 上以脉冲形式来显示缺陷大小，根据脉冲位置来判 断缺陷深度和部位。其优点是设备简单、方便，可用纵波、横波探伤；缺点是以波形高 低位置为依据，不直观。 ( 2 ) b 型显示。 b 型显示可以在c r t 上显示缺陷的断面图，即缺陷在某截面上的范围、深度、大 小。为了有利于检测自动化和不使探头磨损，常采用液浸法方式。 ( 3 ) c 型显示。 它可以显示出试件内部缺陷的平面图，以便了解缺陷在平面上的宽度及分布情况。 2 1 4 超声波探伤条件的选择 在进行超声波探伤之前，应了解被检试件的材料特性、外形结构和探伤技术要求； 熟悉试件在加工的各个过程中可能产生的缺陷和部位，以作为分析缺陷性质的依据：根 据探伤目的和技术条件选择合适的仪器和探头，并进行仪器性能的测试；选择探伤方法 和耦合剂及探测条件，如适当的频率等。对同种材料而言，频率愈高、超声衰减愈大。 对同一频率而言，晶粒愈粗，衰减愈大，对细晶粒材料。选用较高频率可提高校测灵敏 度。因为频率高，波长短，探伤小缺陷的能力强，同时频率愈高，指向性愈好，可提高 9 东北大学硕士学位论文 第二章超声波探伤技术 分辨率，并能提高缺陷的定位精度。但是，提高频率会降低穿透能力和增大衰减，因此， 对粗晶和疏松材料及厚度大的试件，应选用较低的探测频率。仪器和探头组合系统的灵 敏度调节，通常有两种方法：一种是等灵敏度法，即参考试块法；另一种是基准敏度法， 即底面基准法。 2 1 5 超声波探伤仪的分类 超声波探伤仪的种类很多，常见的有以下几种分类方法： ( 1 ) 按发射波的连续性来分 有连续波探伤仪、共振式连续波探伤仪、调频式连续波探伤仪和脉冲波探伤仪等 ( 2 ) 按缺陷的显示方式来分 有a 型显示探伤仪、b 型显示探伤仪、c 型显示探伤仪、直接成像探伤仪等； ( 3 ) 按通道数来分 有单通道探伤仪、多通道探伤仪。 ( 4 ) 按信号的处理方式来分 有模拟式超声波探伤仪和数字式超声波探伤仪。 2 2 缺陷的判定和评价 超声波探伤技术中的三大关键问题是缺陷的定位、定量和定性评定。迄今为止，广 大的超声波探伤技术人员已作了大量实验研究工作，在对缺陷的定位和定量评定方面取 得了很大进展，并逐步趋于成熟与完善。如在众多有关超声波探伤的技术规范中，对诸 如确定缺陷埋藏深度及在探测面上的投影位置，评定缺陷的当量大小，延伸长度以及缺 陷投影面积等都有明确的方法规定，对保证产品构件的质量和安全使用具有重大作用。 然而，在对缺陷定性评定方面却存在相当大的困难，还有待研究和发展。下面所说的缺 陷的定位、定量和定性，都是用最常见、最基本的a 型显示脉冲反射法进行纵波探伤， 而且，它们多数方法都是从模拟式超声波探伤仪的原理上来说的。 2 2 1 缺陷的定位 ( 1 ) 缺陷平面位置的确定 l o 查! ! 查兰堡圭兰堡篁兰； 丝三耋塑皇鎏堡丝垫查 采用接触法时，处于远场区的缺陷，只需将探头在受检试件表面移动即可获得缺陷 达最大反射波高时的位置，从而定出缺陷的平面位置。对处于近场区中的缺陷，则必须 考虑声束横截面内声压的峰值分布情况。 ( 2 ) 缺陷埋深的确定 用声性能与受检试件相同( 或声速已知) 且厚度不同但己知的两试块，利用它们的 一次底回波对探伤仪荧光屏时间基线进行校准后，缺陷埋深可从时间基线上缺陷回波的 位置直接读出。 ( 3 ) 各向异性的影响 对在各向异性材料传播的超声波来说，很重要的事实是能流的方向并不像在各向同 性情况那样与波阵面法线方向一致，即使是垂直入射超声束也会折射。应该注意到，大 多数结构材料在晶粒的集合体内结晶取向并不是随机分布的，而是与加工过程相关，都 显示有某种程度的各向异性，在用超声波确定这些材料中的缺陷位置时，必须注意到这 点。 2 2 2 缺陷的定量 在实际超声波探伤时。由于自然缺陷的形态、性质不尽相同，尚难确定其真实尺寸， 对最基本的a 型显示方式来说，为评定缺陷尺寸，可以利用的信息有： ( 1 ) 来自缺陷的反射波高 ( 2 ) 背面反射的损失 ( 3 ) 沿试件表面测量出缺陷的延伸范围。 因此，人们常采用表2 1 所列的一些方法，对所发现的缺陷进行评定。这些都是常 规的缺陷定量法，精确的缺陷定量多采用聚焦探头和各种成像设备。 2 2 3 缺陷的定性 超声波探伤技术由于具有费用低、操作简便、对缺陷定位较准确和对裂纹检出较敏 感等优点而得到广泛的应用。采用a 型脉冲反射式超声波探伤法对各种缺陷进行精确的 定性确有很大的难度，长期以来一直是研究的热点之一。缺陷的定性技术至今尚无成熟 的模式。常规方法主要是根据波形变化的静态和动态特征和缺陷的分布状态，结合被检 材料的冷热加工工艺，通过各种不同的精密扫查方法，并辅以其它可能的实验方法，进 1 1 。 奎j ! 盔兰堡圭堂垡笙苎堑三茎堡皇垫堡丝垫变 行综合分析和判断。判断的准确性与检测人员的业务能力、技术水平和从事本专业的经 验有一定关系。随着计算机技术的发展这些缺陷定性经验，在一定范围内可编成软件 通过计算机判断，为检测人员对缺陷的快速定性提供了有益的参考手段。 表2 1 评定缺陷的一些方法 t a b l e2 1s o m em e t h o d si ne v a l u a t i n gf l a w 方法使用条件实施 优点 缺点 将所发现的缺陷与对比 试块中规则形状的人工1 对于小缺陷及 1需若干笨重 缺陷面积 反射体在同样检测条件 其回波无明显 试块 较该处超 当量法下比较，如两者埋深及 指向性可得较2 当量尺寸不 声波束截 反射波高均同则该反射 好结果总等于真实 面为小 体的面积即为缺陷当量 2 简单易行尺寸 值 超声波搽将缺陷反射波波高与荧 相对回 只能得到不同缺 伤仪具有 光屏垂直满刻度值相可用分贝值比较不 波高度 陷相对大小的概 良好垂直比，可得缺陷波高相对同缺陷的大小 法念 线性值 1 无需对比试块1 不能确定缺 在测得缺陷最高回波高2 在缺陷的阴影陷大小 试件上下 度f 的同时，测出此时效果下进行评2 未考虑缺陷 f i b ，法面与入射 此处的底面回波波高定可以提高较埋深探头直 声束垂直 b ，。即可得f b ， 大缺陷的测定径和频率达 准确度影响 缺陷面积在波束中心与缺陷相交 大于该处且回波最高时，移动探 声束截头使波束中心偏离回须测定频率、探 网波下可对缺陷氏度、面 面，或长 波高度随之下降，测出头尺寸、检测灵 降法积作出评估 度大于声移动距离与波高变化的敏度的影响 柬截面直关系，推定缺陷延伸程 径度 1 2 东北大学硕士学位论文 第二章超声波探伤技术 为克服人为因素的影响，国内外都在研究缺陷定性检测的新技术。目前，超声成像、 超声频谱和模式识别等缺陷定性检测新技术获得了应用和发展。现就缺陷定性检测中所 涉及的常规方法简述如下。 目前，a 型脉冲反射式超声波探伤仪主要用综合判断法对缺陷定性，其原理是建立 在任何性质的缺陷都是由许多微分面积元构成的几何反射体，不同几何反射体有不同的 回波特征的基础上。这些几何反射体又可分为面状、体状、单个、多个、密集和条状。 目的是采用一切可能的扫查方法，从回波特征上判断出缺陷的几何形状，并根据被检材 料( 铸件、锻件、型材、焊缝、特殊零件等) 中不同类型缺陷可能存在的分布状态判断 出缺陷的性质。回波特征的判断可归纳为：分布状态判断法、回波个数判断法、回波高 度判断法、回波根部判断法、动态波形判断法、静态波形判断法、底波影响判断法、回 波下降速率法、不同位置扫查法、更换探头实验法。具体判断时，根据实际情况自行选 择上述方法并编排顺序，而不必全部采用即可判断出缺陷的性质。 n ) 发布状态判断法 这是根据缺陷的分布状态和几何位置判断其性质，如白点多出现在锻件的大截面段 的偏析带上，群集分布。未焊透必在焊缝的根部位置。 ( 2 ) 回波个数判断法 这种方法可把缺陷分为单个或多个，以便确定其危害程度。 ( 3 ) 回波高度判断法 寻找并判断最大回波高度可作为判断缺陷性质的依据，如超声波对裂纹比较敏感， 探测面合适时，其闯波较高，反射强烈。铸件中的疏松、锻件中的粗晶不可能有较高的 回波。 ( 4 ) 回波根部判断法 判断回波的宽度或其根部特征，如气孔、点渣、白点和脆性断口的冷裂纹根部比较 干净；铸件上的缩孔和焊缝的条渣和塑性断1 3 的裂纹，则为多峰，根部也带有小波。 ( 5 ) 动态波形判断法 判断动态波形的特征，是缺陷定性中一个很重要的方法。如焊缝中的裂纹在转角扫 查时，有明显的上下错动现象、未焊透在转角扫查时则无多峰错动现象。在锻件中，对 轴类锻件区分残余缩孔或轴芯裂纹时，轴向平移探头，残余缩孔多峰连续变化，忽高忽 低，而且同截面3 6 0 度扫查变化不大，轴芯裂纹在同一截面3 6 0 度扫查则回波差别很大。 ( 6 ) 静态波形判断法 13 东北大学硕士学位论文 第二章超声波探伤技术 不同缺陷有不同的代表性静态波形特征，如：轴类锻件中的粗晶是中心带上有一段 草状波；偏析是在离中心等距离的两个对称位置上，有两束丛状波，根部不清晰，反射 较弱。焊缝中的条渣则有多个波峰，根部不清晰，波底较宽。 ( 7 ) 底波影响判断法 危险性缺陷或较大缺陷，如锻件上的裂纹或残余缩孔，对底波有明显的吸收看不到 底波，但为限缺陷也会对周围的固有波造成明显的吸收或改变。 ( 8 ) 回波下降速率法 不同几何反射体在不同声程、不同直径或同直径不同声程时，均有不同的反射规律。 面状缺陷如平底孔，回波降低1 2 d b 缺陷直径差一倍。而体状缺陷如球孔，回波高度降 低一半( 6 d b ) ，缺陷直径则差一倍。因此，危险缺陷回波下降速率较但，非危险缺陷回 波下降速率较快。 ( 9 ) 不同位置扫查法 在对称位置扫查以判断缺陷性质。如对未焊透在两侧扫查回波差别不大，未融合或 裂纹则差别较大。 ( 1 0 ) 更换探头实验法 采用不同探头以尽可能找出缺陷的最强反射面，便于判断。这里包括在精密扫查时， 可使用聚焦探头和双晶探头。用一发一收斜探头可判断被检材料内部缺陷是面状或体 状。用两个辐射方向相同且间距固定的斜探头作串列式扫查，较易发现垂直于底部的大 而平的缺陷。 2 3 数字化超声波探伤仪介绍 数字化超声波探伤仪是计算机技术和超声波探伤技术相结合的产物。一方面它承袭 了常规超声波探伤仪的基本模式和基本功能，又具有数据存储和运算功能，实现了探伤 过程中自动判伤、自动读取和显示缺陷的位置与当量值、存储并打印输出探伤报告。不 仅解决了超声波探伤可记录的问题，而且减少了人为误差，提高了探伤结果的可信性。 2 3 1 数字化超声波探伤仪的组成 在介绍数字化超声波探伤仪的组成之前，首先介绍一下a 型脉冲反射式超声波探伤 仪的基本组成。如图2 2 所示。 1 4 东北大学硕士学位论文 第二章超声波探伤技术 图2 2a 型脉冲反射式超声波探伤仪的基本组成 f i g 2 2 a p u l s er e f l e c t i o nu l t r a s o n i cf l a wd e t e c t o r 它主要由同步电路、